岩浆流体脉冲在还原性金矽卡岩成矿中的作用——以中国东北老柞山为例：来自石榴子石结构与地球化学的约束

《Ore Geology Reviews》：The role of magmatic fluid pulses in reduced gold skarn mineralization at Laozuoshan, Northeast China: constraints from garnet textures and geochemistry

　　

尽管金矽卡岩矿床具有重要的经济意义，但驱动成矿流体演化的过程，尤其是离散岩浆流体脉冲的作用，仍然是一个未解之谜。本研究以大型还原性老柞山金矽卡岩矿床为例，通过整合石榴子石共生序列、U-Pb年代学、地球化学、流体包裹体显微测温以及相平衡模拟，来探讨这一问题。结构特征和切割关系记录了进变质无水矽卡岩中五个钙铁榴石-钙铝榴石（Adr-Grs）石榴子石世代（Grt1–Grt5），以及晚期退化硫化物-碳酸盐组合中以水榴石为主的第六世代（Grt6）。石榴子石U-Pb年龄将金矽卡岩的形成时间限定在约108–105 Ma，将金矿化与早白垩世闪长岩株广泛联系起来，而非先前提出的晚二叠世花岗闪长岩。Grt1–Grt5的成分记录了从Adr_96–99Grs_0–2经Adr_46–76Grs_22–51和Adr_25–43Grs_55–72到Adr_0–14Grs_86–100，再到Adr_22–32Grs_66–73的阶跃式演化。显微测温数据表明Grt1的捕获温度>556 °C，而Grt2–Grt5记录了交替变化的温度-压力条件（491–640 °C，360–1006 bar）。相平衡模拟表明，Adr-Grs的阶跃式演化主要由流体-岩石反应系统有效组分的阶段性变化控制，而非压力变化。这些结果揭示，多批次的岩浆流体被幕式地引入裂隙系统。Grt6中与金相关的金属浓度高于Grt1–Grt5，表明在幕式流体活动期间，金可能通过进变质交代作用从新进入的岩浆流体转移到反应后的流体中。因此，金从连续的 reacted fluids 中沉淀出来，并逐渐在孔-裂隙网络中富集，形成了老柞山金矽卡岩矿石。

论文解读：老柞山还原性金矽卡岩成矿中岩浆流体脉冲的作用——基于石榴子石结构与地球化学的约束

**研究背景与科学问题**

金矽卡岩矿床是全球金资源的重要供应来源（约占中国金资源的11%），被广泛认为是典型的岩浆-热液系统，记录了来源于岩浆的成矿流体演化过程。其形成受控于深部低分异岩浆释放的盐水流体所驱动的接触交代作用，矽卡岩从进变质阶段演化至退化阶段（Meinert等，2005；Chang等，2019）。前人对石榴子石的原位氧同位素和成分分析表明，矽卡岩系统中岩浆流体的释放可呈离散脉冲形式发生，类似于斑岩型、造山型和浅成低温热液型金矿床。然而，将这些离散流体脉冲与进变质至退化阶段演化流体中金富集过程联系起来，仍存在根本性空白。核心问题在于离散岩浆流体脉冲如何被引入并驱动交代作用，如何在原地发生物理化学演化，并最终形成具有经济价值的金矿化。

老柞山金矿床位于佳木斯地块，是中国东北地区最大的还原性金矽卡岩矿床，金总储量超过32吨，平均品位6.88克/吨。以往研究多认为晚二叠世花岗闪长岩是成矿相关侵入体，但缺乏可靠的年代学约束来界定矽卡岩矿物形成与不同侵入体侵位的时间关系。此外，岩浆流体脉冲与金矽卡岩形成之间的成因联系仍不清楚。

**研究内容与结论**

研究人员对老柞山金矽卡岩开展了详细的岩相学研究，重点表征石榴子石的结构特征、共生序列和成分。随后对不同的石榴子石世代进行U-Pb定年、流体包裹体显微测温和相平衡模拟，并结合多种侵入体的锆石U-Pb同位素和全岩地球化学分析，最终确定了离散岩浆流体脉冲在还原性金矽卡岩系统成矿过程中的关键作用。研究揭示，老柞山金矽卡岩含有五个无水石榴子石世代（Grt1–Grt5）和一个含水石榴子石世代（Grt6）。石榴子石U-Pb年龄将金矽卡岩形成时间限定为约108–105 Ma，表明成矿与早白垩世闪长岩株有关，而非先前认为的晚二叠世花岗闪长岩。流体包裹体和相平衡模拟表明，多批次化学性质不同的岩浆流体被幕式地引入裂隙系统，驱动了多世代石榴子石的阶跃式生长，并促进了金在退化阶段从反应后流体中沉淀富集。该研究成果明确了岩浆流体脉冲在还原性金矽卡岩成矿中的核心作用，为理解矽卡岩型金矿的流体演化与成矿机制提供了新视角。论文发表在《Ore Geology Reviews》。

**主要技术方法**

研究人员采集了老柞山金矿床东部矿段20、60、100、140、180和260米中段超过200件矿石和岩石样品，选择代表性样品进行以下分析：（1）电子探针（EMP）和激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）多元素分析，用于确定石榴子石主量和微量元素成分；（2）LA-ICP-MS石榴子石U-Pb定年，用于约束矽卡岩形成时代；（3）流体包裹体岩相学和显微测温分析，用于确定流体温度、压力和相态；（4）基于GeoPS软件和HP62热力学数据库的相平衡模拟，构建NCKMnFMASHTO体系T-X伪剖面；（5）锆石U-Pb定年和全岩主量元素分析（ICP-OES）用于约束侵入体时代和氧化还原状态。全岩主量元素分析在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。

**研究结果**

**石榴子石主量和微量元素特征**

电子探针点分析显示，Grt1–Grt5属于钙铁榴石-钙铝榴石（Adr-Grs）固溶体系列，成分分别为Adr_96–99Grs_0–2、Adr_46–76Grs_22–51、Adr_25–43Grs_55–72、Adr_0–14Grs_86–100和Adr_22–32Grs_66–73，单个世代成分变化有限，但从Grt1到Grt5表现出显著的阶跃式变化。Grt6以水榴石为主（Hgrs_64–69Adr_21–24Pyr₁₁）。主量元素面扫描显示Fe、Al、Ti、Mn、Mg的显著环带。微量元素分析表明，Grt1–Grt5中Bi、Mo、Co、Cu、Sb、Ag、Zn、Ni含量较低，而W、Sn含量较高；Grt6中与金相关的金属元素（Bi、Mo、Co、Cu、Sb、Ag、Zn、Ni）浓度比Grt1–Grt5高数倍至数十倍。

**石榴子石U-Pb年龄**

Grt1核部在样品14LZ-30中给出下交点年龄为106.3±2.6 Ma（MSWD=0.6，n=30）。Grt2边部在四个样品中给出108.6±1.1 Ma至105.7±0.9 Ma的下交点年龄。Grt6在样品14LZ-21中给出105.3±5.3 Ma的下交点年龄（MSWD=0.6，n=64）。这些年龄约束了矽卡岩流体活动发生于早白垩世约108–105 Ma。

**流体包裹体岩相学和显微测温**

Grt1中包裹体为均一捕获的V1型流体包裹体，完全均一温度（Th）为482–556 °C，指示捕获温度>556 °C。Grt2–Grt5中为异质捕获的流体包裹体组合（FIA），最小Th值分别为589–616 °C（Grt2）、491–524 °C（Grt3）、552–579 °C（Grt4）和614–640 °C（Grt5），对应的捕获压力分别为800–874 bar、360–387 bar、660–724 bar和928–1006 bar。Grt6和方解石中为均一的L型流体包裹体，平均Th分别为329–368 °C和319–361 °C；共存石英中为异质捕获的V1-、V2-和L型包裹体，最小Th为255–271 °C。

**温度-成分伪剖面**

在400、700和1000 bar下计算的T-X伪剖面显示，Grt2–Grt5的钙铁榴石摩尔分数（X_Adr）等值线几乎垂直，在400–1000 bar范围内变化很小，但随着闪长岩组分比例的增加而系统地向更高值移动。这表明石榴子石成分的变化主要由惰性组分（即流体-岩石反应系统的有效组成）控制，而非温度或压力。

**讨论与结论**

研究表明，老柞山金矽卡岩形成于早白垩世（约108–105 Ma），与早白垩世闪长岩株的侵位时间一致，排除了晚二叠世花岗闪长岩作为成矿侵入体的可能性。闪长岩的还原性（Fe₂O₃/(Fe₂O₃+FeO)=0.16–0.26）与还原性金矽卡岩系统的特征一致。流体包裹体数据表明Grt1代表高温气相流体，Grt2–Grt5记录了沸腾流体的交替温度-压力变化。石榴子石的阶跃式成分环带与单一流体脉冲中周期性波动产生的连续振荡环带不符，且压力变化幅度（204–413 bar）超过典型压力积累-释放的波动范围（<200 bar），流体温度也未从Grt1到Grt5单调下降，而是呈幕式变化。相平衡模拟进一步证明成分变化主要受有效反应系统组成的阶段变化控制。综合证据表明，多个同时代闪长质岩浆释放的化学性质不同的流体批次被幕式引入裂隙系统，驱动了多世代石榴子石的顺序生长。在进变质阶段，金及相关金属并未显著进入无水矽卡岩矿物，而是富集在反应后的流体中。Grt6中较高的金伴生金属浓度证实金从新进入的岩浆流体转移至经进变质交代改造的流体中。随后，金从连续的成矿流体批次中沉淀，并逐渐在相互连通的孔隙和裂隙网络中累积，最终形成老柞山金矽卡岩矿石。

**研究结论翻译**：老柞山还原性金矽卡岩含有五个无水石榴子石世代（Grt1–Grt5）和一个含水石榴子石世代（Grt6）。对这些石榴子石的流体包裹体、地球化学和相平衡模拟约束揭示，来源于早白垩世闪长岩株的多批次岩浆流体被幕式地引入裂隙系统。在幕式流体活动期间，金通过进变质交代作用从新进入的岩浆流体转移到反应后的流体中并在此富集。因此，金从连续的成矿反应流体批次中沉淀出来，并逐渐在相互连通的孔隙和裂隙网络中累积，形成了老柞山矿床中丰富的金矽卡岩矿石。